百万千瓦级核电常规岛主给水泵叶轮强度分析

胡永海，林永祥，陈乃娟

（中国电建集团上海能源装备有限公司，上海201316）

百万千瓦级核电常规岛主给水泵叶轮强度分析

胡永海，林永祥，陈乃娟

（中国电建集团上海能源装备有限公司，上海201316）

以百万千瓦级核电常规岛主给水泵为研究对象，采用ANSYS12.0软件对主给水泵叶轮强度进行分析和评定，将流体作用于叶片表面的力作为叶片表面载荷，通过对叶片强度分析与键槽根部处强度分析，结果表明：按照ASME II NB卷中有关核I级部件的标准核电常规岛主给水泵叶轮设计满足安全性要求。

常规岛主给水泵；叶片强度；键槽强度；ASME标准

中国作为能源紧缺国家，将逐步提高核电在其能源结构中的比重，未来主要建设以第三代核电为主。百万千瓦级核电常规岛主给水泵也将成我中国核电走出世界的起点。常规岛主给水泵是核电站内仅次于核岛主泵的关键设备，是核电站二回路系统中主要设备和压力边界设备之一，是保证核岛安全运行和汽水品质的重要热工系统[1-2]。国内百万等级核电站主给水泵长期被国外公司垄断，具有技术含量高，设计、制造及试验难度大等特点。

本文所研究的百万千瓦级核电常规岛主给水泵是卧式双吸泵，属于非核级泵，但要求对主给水泵在核I级条件（依据ASME规范）下进行力学分析和安全评定，本文采用ANSYS12.0软件就主给水泵叶轮强度进行分析和评定。

1 模型与边界条件

1.1 分析模型

叶轮有七片叶片，为双吸叶轮。叶轮的键槽部位进行了“局部剖”，具体几何模型，如图1所示。

图1 叶轮几何模型

对于叶轮，同样在键槽处及叶片根部进行局部网格加密、细化，最终模型的单元数为178万，具体如图2所示。

图2 叶轮有限元模型

1.2 材料力学性能

主给水泵叶轮的材料是ZG06Cr13Ni4Mo.由甲方提供的材料ZG06Cr13Ni4Mo的化学成分见表1，力学性能见表2.

表1 ZG06Cr13Ni4Mo化学成分

表2 ZG06Cr13Ni4Mo力学性能

1.3 边界条件

根据水力分析CFD结果，将流体作用于叶片表面的力作为叶片载荷，对叶轮进行载荷及边界条件设置，水力计算使用的为核电常规岛主给水泵额定运行工况，具体参数如表3所示。边界条件具体设置如图3所示[3-5]。

表3 主给水泵特性参数

图3 载荷及边界条件设置

由于键槽根部处存在轴对叶轮的作用力，通过对叶轮的键槽进行“局部剖”后，将被剖出部分与叶轮主体做绑定接触，设置径向、轴向约束，添加扭矩，具体设置如图4所示。

图4 载荷及边界条件设置

2 分析结果

2.1 评定方法

对于叶轮的叶片强度及叶轮上的键槽强度，按表4所示的评定准则进行评定。

表4 叶片及键槽评定准则

其中：S为有限元分析所得应力值；k为安全系数（k=2）；

Sy为材料屈服强度限值，查ASME-II-D篇，可知Sy=550 MPa.

2.2 叶片强度分析

叶片强度分析包括整个叶轮应力分布和键槽根部处应力分布两部分。设置好载荷及边界条件，并划分好网格后，使用ANSYS 12.0进行求解，叶轮应力分布如图5所示。由压力分布图可知，叶片根部处有较大应力集中，约为202 MPa.评定结果如表5所示。

图5 叶轮应力分布图

表5 叶片强度评定

2.3 键槽根部处强度分析

叶轮上键槽被剖出部分应力分布如图6所示，由压力分布图可知，叶片根部处有较大应力集中，约为202 MPa.评定结果如表6所示。

图6 叶轮键槽应力分布

表6 键槽强度评定

3 结论

本文对主给水泵叶轮按照非承压部件进行分析评定。使用了ANSYS 12.0进行应力分析，考虑了水力计算结果，将其作用于叶片表面形成载荷，并按照ASME II NB卷中有关核I级部件的标准对上述部件进行评定，均满足安全性要求。

[1]叶奇蓁.中国核电发展战略研究[J].电网与清洁能源，2010（01）：3-8.

[2]缪鸿兴.AP1000先进核电技术[J].自动化博览，2009（8）：32-35.

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[5]李 涛，左正兴，廖日东.结构仿真高精度有限元网格划分方法[J].机械工程学报，2009，45（6）：304-308.

Blade Strength Analysis of 1000MW Class Nuclear Conventional Island Pump

HU Yong－hai，LIN Yong－xiang，CHEN Nai－juan
（Powerchina SPEM Company limted，Shanghai 201316，China）

By taking 1000MW class nuclear conventional island pump as the research object，ANSYS12.0 soft has been developed to analysis nuclear conventional island pump of blade strength and keyway strength，by taking blade force from fluid.Results indicated that analysis of nuclear conventional island pump meet the standard requirement of ASME II NB.

nuclear conventional island pump；blade strength；keyway strength；ASME

TK223.5

A

1672-545X（2017）09-0021-02

2017-06-05

胡永海（1985-），男，甘肃兰州人，硕士，工程师，研究方向：流体机械。